TPEO認識與其發展

2008-04-05

TPEO認識與其發展 道達爾技術工程師 莊瑞仁 前言 過去數十年來，基礎油市場有偏向使用更高階提煉等級油的趨勢，主要是汽車引擎機油的高度需求。 TPEO是 Trunk Piston Engine Oil 的簡寫，泛指應用在四衝程的潤滑油，主要應用於船舶的驅動系統或發電系統以及陸上的發電機組。 一直以來，API Group I基礎油是船舶引擎用油調配時的首選，但隨著成本與供貨穩定性的因素，逐漸有偏向選用Group II基礎油的趨勢。但因Group II基礎油對燃料油中的瀝青有較低的溶解能力，所以在添加劑配方方面需進一步改善與提升。表一為API對基礎油的分類標準。 近十年來，由於anti-polishing ring（or piston cleaning ring）的安裝，早期高耗油量的狀況（1g/kw~1.5g/ kwh ），如今已不可能存在，目前一般正常耗油量約控制在0.3~0.4g/kwh。此種低油耗的狀況，致使使用中潤滑油的鹼值（BN）下降與黏度（Viscosity）升高問題被高度關注，同時也改變潤滑油的應用，部分使用者會藉由提高鹼值的選用(如改用BN 50或BN 55的產品)及定期更換部分系統油，以確定使用中的油品狀態保持在設備廠家建議的控制值範圍內。   四衝程中速筒式引擎 四衝程中速筒式引擎（中速引擎–rpm 300~1,200）的設計，只有單一油品循環使用，潤滑油經由自由潑濺或循環油pump作動，潤滑整個引擎各個動件。這類引擎設備廠商主要有WARTSILA, MAN, YANMAR, Daihatsu….主要的型式有V型和直列型兩種，而油品的黏度依廠家的推薦主要為SAE 30 或 SAE 40，鹼值（BN or TBN）的建議則與燃料油中含硫量有關，含硫量越高的燃料油，鹼值的選用就應建議越高；燃料油為H.F.O.時，建議用鹼值BN 30 ~ BN 55，而燃料油為M.D.O.時，則可選用BN 12的潤滑油。二衝程與四衝程引擎的差異，在以前的文章中已談論過，圖一為就廢氣、換氣與潤滑油的位置以圖示方式作為兩類引擎的區隔。 TPEO換油週期 引擎製造廠商針對油品是否堪用的判斷，主要根據兩個參數–鹼值與黏度的狀況作為分析的依據。鹼值的衰減主要因中和油中的酸性物質所致，而此酸性物質主要來自燃料油中的硫份，另一小部分酸性物質則來自油品本身因高溫氧化所致，而此兩部分的酸性物質皆可藉由添加劑中的鹼值添加劑予以中和，避免造成酸性腐蝕。 而導致使用中油品黏度升高的因素有： 油品氧化。 燃燒生成物。 酸鹼中和後的硫酸鈣（Calsium sulfate） 其他污染物。 黏度升高時會同時伴隨的另一現象即是不溶物（Insolubles）含量的增加。所以，綜合上述原因可發現，黏度與鹼值的變化皆會受氧化狀況所影響。 油品的氧化穩定性會影響換油週期的長短，改善此一特性，不僅會減緩黏度升高的狀況，亦會減緩鹼值衰退的狀況。藉由下述三種方法可改善氧化穩定性， 使用抗氧化添加劑。 使用Group II基礎油。 選用合適的清淨添加劑。 目前四衝程中速筒式引擎主要使用重油（Heavy Fuel Oil, HFO）為燃料油，配合燃料油中的含硫量，鹼值的設計量比一般油品皆較高，此類高鹼值的添加劑除具備清淨性與分散性外，同時亦具有抗氧化的功能，即具有抗氧化添加劑的功能，所以一般不需要另外添加抗氧化添加劑，但因為成本的關係，同類添加劑亦有效果好壞之區分。 Group II 基礎油 早期（1930年代）Group I基礎油是通用于車輛與船舶引擎市場，但隨著提煉技術的提升，如加氫處理或加氫裂解的技術引進，使得提煉出的基礎油具有更佳的特性；再者，環保法規的規範以及汽車製造廠商設計的要求，致使Group II基礎油（或更高階基礎油）逐漸取代Group I 在汽車引擎市場的應用，特別是Group II幾乎不含硫份的特性，更是Group I基礎油所不能比擬的。Group I基礎油包含相對高量的芳香?成分，此一成分會催化潤滑油的氧化，因此會限制潤滑油的使用壽命與換油週期。而加氫處理後的基礎油，因已將不飽和成分轉化為飽和，故有較佳的氧化穩定性。表二為Group I & II基礎油的性能比較。除了Solvency性能外，Group II基礎油都比Group I更適合應用為潤滑基礎油。 而為什麼船舶引擎不和汽車引擎油一樣，選用較高等級的基礎油以提升油品的抗衰退問題。主要的差別就是燃料油的問題。面對使用HFO燃料的引擎，因HFO含有較高的瀝青成分與芳香?成分，潤滑油必須有較佳的溶解能力，以便將這些物質充分分散于油中。當選用Group II的基礎油為潤滑油時，基礎油在煉製過程，已將芳香?成分儘可能去除，低量的芳香?會降低與燃料油中瀝青的相容性，而這狀況會導致瀝青以油泥的形式沉澱於曲軸箱與造成冷卻通道的積碳。   瀝青（Asphaltenes） 燃料油主要由下列部分混合而成： 油- 分子比重小於800，包含石臘基、環烷基及少量的芳香基的混合物。 樹脂- 分子比重約1,000，包含高濃度的長鏈環狀脂肪族的芳香基。 瀝青- 分子比重介於1,000 ~ 2,000，具有短旁鏈狀的芳香基。 不純物- 固體懸浮物（砂、鏽、觸媒微粒等）與水。 瀝青（Asphaltenes）與油有親近性，並藉由樹脂的平衡作用，形成膠體溶液分布於油中，而非溶於油中，而此種狀態下的燃料油相當穩定。觸媒裂解或減黏處理（visbreaking）皆會改變樹脂的結構，進而造成瀝青處於不穩定狀態。當燃料油來源不同，瀝青處不穩定的結構會使得油槽底部產生油泥，油水分離器油泥量會增加，過濾器堵塞，更甚者，會造成燃燒不良等結果常見於引擎曲軸室（Crank Shaft）或凸輪軸室（Cam shaft）的黑色黏稠污泥，即是瀝青等所造成。   清淨添加劑 一般我們所謂的鹼值，正確而言可分為兩部分：一是中間的無機核（Inorganic core or Base），主要功能為中和酸性物質，成分主要為碳酸鈣與氫氧化鈣（有時也可以選用金屬鎂），同時具有部分抗磨損的功能；另一部分是外圍的皂基（Soap），主要成分為表面劑如清淨劑、分散劑與抗氧化劑，功能為尋找油中存在的酸性物質並與之進行中和，再將反應生成物與燃燒生成物均勻分散於油中，避免聚積結成大顆粒。 各添加劑公司常用的清淨添加劑種類有磺酸鹽（sulphonates），酚鹽（phenates），水楊酸鹽（salicylates）三種，但為了特殊的應用，一般都會混合使用。而各類清淨添加劑的特性比較如下：   因為各自有不同的特性，所以應用上亦會視實際需要而有所調配，各自的應用與特點分別說明如下：

清淨度
活塞頂	No	Yes	Yes
活塞底	Yes	No	Yes
BN耐久性	Yes	No	Yes
防鏽性	Yes	No	Yes
抗氧化	No	Yes	Yes

磺 酸 鹽 —因為成本效益與酸性中和能力的考量，一般建議適用於二衝程主機汽缸油的應用。 酚 鹽 —建議適用於主機汽缸油與TPEO，因為具有極佳的清淨與抗氧化能力。 水楊酸鹽 —因具有很強的能力克服燃料油HFO所造成的問題 ，以及極佳的抗氧化性，所以建議適用於TPEO。

複合清淨劑 —部分添加劑公司會針對市場的需求，綜合上述添加劑百分比，特別設計調配，以符合實際引擎運轉的需要，同時兼顧成本的考量。

結論

目前燃料油售價處在高檔，所以一般陸上柴油發電機電廠（Trunk Piston Diesel Engine）售電價格與發電成本不成比例，故除非尖峰時段或合約發電時段，否則基本上是處在停機狀態，甚至有的機組因不堪虧損，已將它出售至其他地區。 道達爾公司TOTAL Lubmarine Aurelia XL 系列產品，在船舶發電機組使用多年，市場反應不錯。另針對陸上電廠研發的Aurelia TI系列，在黏度與鹼值的控制上更勝Aurelia XL，值得有興趣電廠嘗試。

參考資料 Base oil trend creates challenge for trunk piston engine oil additive technology – 2007 CIMAC paper no. 91. The benefits of salicylate detergents in TPEO applications with a variety of base stocks – 2005 ISME paper. TPEO formulating challenges for increased oil change intervals – 2004 CIMAC paper no. 115. Marine Engines Fuels and Lubricants – TOTAL Lubmarine.